摘要：今天我们一起来了解一项在光纤领域具有革命性的研究 —— 由超低膨胀玻璃制成的空芯光纤。这项研究发表在《Science Advances》上，为室温光纤的稳定性开辟了全新的可能。

今天我们一起来了解一项在光纤领域具有革命性的研究 —— 由超低膨胀玻璃制成的空芯光纤。这项研究发表在《Science Advances》上，为室温光纤的稳定性开辟了全新的可能。

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景：光纤技术的发展与挑战

首先，让我们了解一下研究的背景。单模光纤（SMFs）因其低衰减、低成本、紧凑和易于操作等独特特性，在许多重要研究和技术领域仍然至关重要，并吸引了来自新兴和多样化科学工程领域的兴趣。

除了通信，它们还用于高功率激光器、光纤陀螺仪、分布式传感、时间和频率参考信号分配以及量子编码信号分配等应用。新出现的应用包括稳定到光纤延迟线的超窄线宽激光器、引力波探测器、量子计算机之间的相互作用等等。

然而，单模光纤的主要性能限制损害包括衰减、色散、非线性以及引导光的相位和传播时间对环境变化的敏感性。这些损害常常阻止单模光纤在新兴应用中使用，或在已确立的应用中限制其性能。

由于这些损害大多源于单模光纤玻璃芯内的光 - 玻璃相互作用，一类新的光纤 —— 由纯二氧化硅玻璃制成的空芯光纤（silica-HCF）代表了一种有前途的替代方案。光在空心、气体或真空填充的芯中引导，几乎在所有指标上都超越了单模光纤，但其制造使用了几乎相同的基础设施、技术和方法。

最近，空芯光纤的设计和制造已经取得进展，在从紫外到中红外的整个光谱范围内，已证明其衰减低于传统单模光纤所能达到的水平。

二、研究目的：降低光纤的热敏感性

研究重点是累积相位 φ 和传播时间 τ 对外部温度的敏感性。在室温下，二氧化硅空芯光纤的这一敏感性已经比单模光纤低 20 到 30 倍。为了进一步降低它，我们设计并制造了一种使用超低热膨胀系数（CTE）玻璃的空芯光纤。

这种光纤具有迄今为止最低的热敏感性，有潜力满足即使是最苛刻应用的热稳定性要求，并将实现潜在的全光纤科学和商业应用。

在需要热超稳定光纤的应用中，干涉仪是关键领域之一。它们是许多有史以来最灵敏仪器的核心，从迈克尔逊测量不存在以太的实验到现代用于引力波探测的仪器，以及精度稳定到 10^-17 的激光器。

如今，稳定的激光器使用为实验室环境建造的自由空间干涉仪，但使其可现场部署且低成本，即使以降低稳定性为代价，例如 10^-13，也将使许多令人兴奋的应用受益。这些应用包括海底地震传感、通过光频分频产生低相位噪声微波、实用量子物理系统、天文学高精度光谱学或多化合物化学分析。

三、实验设计与方法：超低膨胀玻璃空芯光纤的制备

（一）材料选择

透明的零 CTE 材料包括康宁的 ULE 玻璃、肖特的 Zerodur 玻璃陶瓷、小原的 Clearceram-Z 和日本电气玻璃的 ZERØ 玻璃陶瓷。在这些材料中，我们选择 ULE玻璃来制造温度不敏感的空芯光纤，因为它是一种玻璃（掺杂二氧化钛的二氧化硅玻璃），而不是玻璃陶瓷，更适合光纤拉制。

（二）制备挑战与工艺

将 ULE 拉制成光纤存在几个挑战。首先，没有合适的 ULE 管可用。我们通过将实心玻璃坯研磨成圆柱体，然后进行精密钻孔和抛光长孔来获得这些管。各种制造限制（长度、钻孔尺寸等）限制了可实现管的尺寸。因此，使用玻璃加工车床对其进行再加工和拉伸，以生产适合空芯光纤制造的尺寸是至关重要的。

此外，ULE 玻璃是通过逐层沉积技术制造的，形成层状结构，产生内部材料应力，这会影响光纤拉制过程。

最后，将这种玻璃拉制成光纤的一个根本挑战是导致不希望的玻璃失透的危险，这会引发弱点和随后的光纤断裂。玻璃失透的动力学是复杂的，它可以由各种结晶材料引发，并在 1200° 至 1728°C 范围内的高温和水分存在下加速。

然而，在约 1728°C 以上，结晶失透玻璃（方石英）夹杂物会非常迅速地熔化。在二氧化硅光纤拉制中，任何可能形成的失透簇在较高的拉制温度下会重新熔化，因为拉制的最佳粘度在最高结晶温度以上约 100°C 时达到。然而，ULE 玻璃的最佳光纤拉制粘度需要较低的温度，约 1750°C，降低了失透簇重新熔化的可能性。

为了降低失透的可能性，在预拉制处理（火抛光等）中，ULE 玻璃在 1200° 至 1728°C 范围内停留的时间最短。此外，选择燃烧器的升温速率，使得玻璃在 > 1728°C 的时间比在 1200° 至 1728°C 的时间长得多。这本身应该足以确保光纤预制棒没有失透玻璃。然而，为了进一步降低存在失透玻璃的可能性，光纤也在高于 1728°C 的温度下拉制。这是通过选择 1900°C 的峰值炉温来实现的，该温度大大高于 1728°C。

（三）光纤设计

对于概念验证实验，选择了单环反谐振（“管状”）光纤设计，这比现代低损耗空芯光纤（如嵌套反谐振无节点光纤）更容易生产。

我们设计了一种具有七个非接触管的 ULE 空芯光纤。这种配置被选中是因为它已知在支持稳健的单模引导（通过所有高阶模的高衰减）和低弯曲损耗之间提供最佳折衷。

基于考虑可用管尺寸和目标在 1550nm 波长附近操作的模拟，该光纤被设计为具有 46μm 的芯、22.5μm 外径的包层管、约 7μm 的包层管间隙和 500nm 的包层管膜厚度。

四、实验结果：超低膨胀玻璃空芯光纤的性能

（一）光纤制备与表征

使用标准的堆叠和拉制方法生产预制棒。制造的 51 米长的 ULE 空芯光纤具有 30μm 厚的丙烯酸酯涂层、290μm 的玻璃外径和 54μm 的芯尺寸。

衰减通过截断法测量，在 1790nm 处实现了 70dB/km 的最小值。这与我们在模拟中考虑 ULE 空芯光纤表征期间使用的 60cm 线圈直径的结果非常吻合，表明制造的光纤具有良好的光学质量。

衰减的两个主要贡献者是 confinement 损耗和微弯损耗，在 1550nm 处分别为 50 和 19dB/km。尽管我们在模拟中包括了材料损耗，基于 20 世纪 70 年代类似 ULE 玻璃的钛掺杂二氧化硅芯的历史光纤，估计为 20dB/km，但其贡献被发现可以忽略不计。这再次证实了空芯光纤的优势，其中玻璃 - 光重叠非常少。

（二）热相灵敏度测量

ULE 空芯光纤的相位热灵敏度使用所示的设置进行测量。询问激光锁定到载波包络偏移稳定的光频梳，以消除由激光波长漂移引起的干涉条纹漂移。

ULE 空芯光纤样品的长度归一化累积相位变化响应于温度从 12° 到 67°C 以 5°C 的步长变化。在低温下，涂层相对较硬（杨氏模量较大），我们观察到温度变化后的相位变化 “过冲”，我们将其归因于涂层的粘弹性特性。

在 20° 至 45°C 之间，这种影响可以忽略不计，相位变化密切跟随温度变化。在 45°C 以上，我们观察到相位漂移，这是由于涂层引起的。

热相灵敏度然后从 FPI 信号计算，去除线性热相漂移。ULE 空芯光纤在 15°C 时显示出接近零的热灵敏度 8ppb/°C，这比二氧化硅空芯光纤低近 60 倍，比单模光纤低 1700 倍。

（三）热延迟系数（TCD）评估

TCD 受相位热灵敏度和色散的影响，在使用的短光纤长度上难以测量。然而，它可以从相位热灵敏度和ULE 空芯光纤色散评估。在 1550nm 处，它在 15°C 时显示出略正的值 6fs/km/°C，这比二氧化硅玻璃空芯光纤低 250 倍，几乎比该温度下的单模光纤低 7000 倍。

然而，由于 TCD 取决于随波长增加的色散，TCD=0 在约 1610nm 处达到。在 100nm 带宽内，TCD 低于 0.01ps/km/°C，这比单模光纤低 4000 倍。

五、讨论：超低膨胀玻璃空芯光纤的应用前景

我们已经证明，使用超低膨胀玻璃制造光纤是可能的。通过将这种玻璃与空芯光纤设计相结合，消除了光纤芯中的热光效应，并精心设计玻璃直径和涂层，我们在室温下在 1550nm 处实现了低至 0.008ppm/°C 的相位热灵敏度和 0.006ps/km/°C 的 TCD。这些分别比单模光纤低 1700和 6700 倍。

在 1610nm 处实现零 TCD，在 100nm 带宽内变化仅为 10fs/km/°C，使该光纤适用于所有对时间延迟敏感的应用。通过选择具有更低 CTE 的 ULE 玻璃（使用稍高的 Ti 掺杂）和 / 或生产具有不同或更薄涂层的光纤，我们相信也可以实现零相位灵敏度。

此外，尽管由于缺乏具有合适尺寸的 ULE 管而未在此处完成，嵌套管将能够非常显著地降低光纤的传播损耗，使其适用于长距离操作。无论如何，热稳定性比当今可用的最不敏感光纤低 100 倍以上，这里展示的 ULE 空芯光纤已经具有所需的性能，能够实现引言中讨论的许多应用，包括即使在超过 1000 秒的时间尺度上也能生成具有卓越稳定性的紧凑和便携式超纯射频和光信号，或用于未来应用（如航天器光推进）的数千个高功率激光器的实际相干组合。

一起来做做题吧

1、空芯光纤（HCF）的主要优势在于：

A. 光在玻璃芯中传播，减少损耗

B. 光在中心空腔传播，减少光 - 玻璃相互作用

C. 采用超低膨胀玻璃，完全消除热膨胀

D. 制造工艺比传统光纤更简单

2、传统单模光纤（SMF）的性能限制不包括：

A. 衰减

B. chromatic dispersion（色散）

C. 非线性效应

D. 光在空腔中传播的相位波动

3、选择 ULE 玻璃制造空芯光纤的主要原因是：

A. 成本低于纯二氧化硅玻璃

B. 热膨胀系数极低，接近零

C. 制造工艺更简单，无需钻孔

D. 透光率在红外波段更高

4、ULE 空芯光纤（ULE-HCF）的热相位敏感性在 15°C 时约为：

A. 8 ppb/°C

B. 0.3 ppm/°C

C. 6.1 ppm/°C

D. 20 ppm/°C

5、下列哪项不是 ULE-HCF 的潜在应用？

A. 海底地震传感

B. 航天器光推进

C. 传统家庭宽带通信

D. 高精度天文光谱学

6、ULE-HCF 拉制过程中为避免玻璃失透，采取的关键措施是：

A. 拉制温度低于 1200°C

B. 在 1900°C 高温下拉制，缩短玻璃在失透温度区间的时间

C. 添加钛掺杂剂提高玻璃熔点

D. 采用低温冷却工艺快速固化

7、三种光纤的热敏感性由高到低排序正确的是：

A. SMF > Silica-HCF > ULE-HCF

B. Silica-HCF > SMF > ULE-HCF

C. ULE-HCF > Silica-HCF > SMF

D. SMF > ULE-HCF > Silica-HCF

8、ULE-HCF 采用薄涂层（~24 μm）的主要目的是：

A. 降低光纤重量，便于铺设

B. 减少涂层对热敏感性的影响

C. 提高光纤机械强度

D. 增强光传输效率

参考文献：

Meng Ding et al. Hollow-core fiber made of ultralow expansion glass: Toward the ultimate stability for room-temperature fiber optics. Sci. Adv.11, eads7529(2025).

来源：知识泥土六二三